高精密孔類以銑代磨工藝技術研究

■珠海格力精密模具有限公司 （廣東珠海 519070） 鐘曉鷗 林松福

孔加工技術是金屬切削加工的難點，精密孔加工的難度就更大。批量孔特征的模具為了獲得高精度的孔，對孔的尺寸精度、幾何形狀和表面粗糙度提出了更高的加工要求，用價格昂貴的坐標磨床能夠滿足上述要求。坐標磨床是在坐標膛床的結構和加工原理的基礎上發展起來的一種精密機床，是精密模具加工的關鍵設備，可用于加工磨削模具中的各類坐標孔。但其生產成本高且效率低，大部分企業都無法進行大規模采購并投入生產。

1. 磨削加工現狀

如圖1所示，精密翅片模具存在大量高精密孔。翅片模的沖孔子模和二次翻邊子模里的沖頭孔對精度要求高（尺寸公差3μm，位置公差5μm，表面粗糙度值 Ra＜0.5μm）。如果采用高精度的CNC加工中心和高品質的刀具鉸、鏜加工工藝來精心操作，個別孔能夠達到圖樣要求。但鏜孔數量過多，容易造成操作失誤，若有一個孔超差，則整塊模板報廢。因此，目前大多采用坐標磨床（Gri-JG）來加工，但是坐標磨床屬于稀缺、高費率設備，設備產能受限會影響模具的加工進度，設備的高費率會增加模具的加工成本。再者，JG的加工效率低，磨削一個φ 12×50mm孔大約需要35分鐘，加工一套翅片模具需要半個月左右，產能遠遠不能滿足市場的競爭需求。

圖1 精密翅片模具

2. 工藝革新探索

品質好的加工中心（ 如YASDA、RODERS等）具有良好的定位精度和重復定位精度，擁有坐標磨床的先天優勢。以這些加工中心為平臺來解決孔加工銑削直徑精度問題，可以實現以銑代磨工藝。

（1）刀具方案 CNC加工中心使用刀具代替坐標磨床的砂輪，因此需研究刀具如何保證銑削圓孔的精度。刀具接觸刃面積與其切削阻力成正比，廠家在設計刀具時，通常標準刃長≥2.5D（D為刀具直徑），加工90°側壁圓孔底部時，切削刃全部接觸到孔壁，導致切削阻力增大引起彈刀，影響加工精度和表面粗糙度，產生波浪紋，加工效果如圖2所示。

針對上述彈刀出現波浪紋現象，調研現場加工工況。如圖3所示，在實際加工中，刀具普遍刃長在3D以上，銑削加工時接觸刃多，切削刃接觸面積大，加工阻力也大，刀具螺旋槽成比例增長，刀具剛性減弱。當零件表面有高精度要求時，對刀具剛性影響尤為明顯。

圖2 標準刀具的加工效果

圖3 3D刃長標準刀具

針對這一現象，設計制造非標短刃整體硬質合金刀具，經多次測試和改善，優化后的刀具設計可明顯改善零件表面的加工質量，設計方案如圖4所示，各刀具技術參數如下：

圖4 非標短刃整體硬質合金刀

1）刃長設計為1D，可最大限度保證刀具剛性，減少加工時切削刃接觸面，從而減小加工阻力，同時也縮短了刀具螺旋槽長度，增加了刀具剛性。

2）刀具避空直徑比D 小0.1mm，保證加工時刀具柄部不會擦傷零件表面，同時也最大限度保證了刀具剛性。

3）刀具有效長度設計為5D，在保證刀具剛性的同時提高了實際加工零件時的通用性，可減少編程和加工現場的刀具庫存，降低成本。

（2）加工工藝 如圖5 所示，分析坐標磨床磨削孔時的運動軌跡，再利用CAM編程策略的螺旋插補功能找到相同的刀路軌跡策略。螺旋插補是指在指定平面內兩軸聯動的圓弧插補運動與另一軸上的直線運動同步且同時到達目標位置。螺旋插補銑削具有恒接觸、切入切出次數少和圓度好等優點。新工藝運用CAM編程策略的螺旋插補功能優點，采用低轉速、低進給和大吃刀量的參數進行螺旋銑削加工。以圓孔直徑為φ12.1mm的孔為例，螺旋插補刀路如圖6所示，加工工藝見表1，方案研究如下：

圖5 坐標磨床研磨圓孔

1）采用單次啄孔策略，高效去除粗銑余量。

2）采用1D刃長非標刀具，留量0.02mm，用半精螺旋插補策略銑削，初次均勻去除余量，同時修正鉆頭導致的孔位置偏差。

3）采用1D刃長非標刀具，留量0.005mm，用精銑螺旋插補策略銑削，再次均勻去除余量，使孔壁余量保持幾乎均勻的理想狀態。

4）采用1D刃長非標刀具，留量0mm，用精銑螺旋插補策略銑削，單孔做一次試加工，然后在機檢測孔直徑，再根據實際測得的數據，調整刀具補償量，進行最終的批量孔加工。

圖6 螺旋插補刀路

如圖7所示，通過上述銑削工藝，實測零件表面粗糙度值Ra＝0.4μm，直徑為12.103mm，精度達到圖樣公差要求。在新、舊工藝都可達到技術要求的前提下，新工藝效率提升一倍以上，具體對比見表2。

3. 各切削要素

圖7 以銑代磨零件圓孔精度和粗糙度

在加工高精圓孔時，為了滿足加工深度，刀具越大越好，這樣可以保證刀具剛性。但矛盾的是刀具越大，加工環繞的刀路軌跡就越短，為了保證孔徑和圓度，進給速度就要慢，但是降低了加工效率。要保證加工效率，對應的背吃刀量ap就要加大，但背吃刀量過大，又會反過來影響孔表面粗糙度，使孔徑尺寸精度變差。所以切削刀徑D、切削轉速n、切削進給速度vf和背吃刀量ap相輔相成、互為影響，需要根據現場工況測試取得。

精加工刀具直接影響產品質量，必須定期檢測并更換精加工刀具。如此精度的尺寸，刀具磨損超限會導致產品超差，因此需進行刀具壽命管控。目視刀具涂層磨損情況和使用高倍的對刀儀檢測，能有效判斷刀具磨損情況。在涂層脫落或刀尖跳動超出0.006mm的情況下及時更換刀具，保證產品的穩定性。

表2 新、舊工藝質量及效率對比

4. 結語

采用高精度加工中心以銑代磨新工藝代替三井坐標磨床來加工高精密孔類，加工精度高可達3μm、表面粗糙度值R a＝0.4μm、加工效率提高1倍以上、加工成本可降65%以上，且質量穩定可控。在一定條件下，新工藝可以替代價格極其昂貴的精密坐標磨床磨削工藝，充分利用企業的機床資源，降低生產成本。以銑代磨加工技術的發展和推廣應用能帶動整個制造業的進步，提升效益,是現代切削加工技術的發展方向，具有重要的理論研究與實際應用價值。